基于山科PLC的高速灌裝線專用控制系統(tǒng)

王茂勵，郝慧娟，趙雪，孫祥

（山東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實驗室，山東省計算中心（國家超級計算濟(jì)南中心），山東　濟(jì)南　250014）

基于山科PLC的高速灌裝線專用控制系統(tǒng)

王茂勵，郝慧娟*，趙雪，孫祥

（山東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實驗室，山東省計算中心（國家超級計算濟(jì)南中心），山東濟(jì)南250014）

摘要：針對食品安全、溯源及監(jiān)管的需求，在已有高速灌裝線上加裝了基于OmniView的視頻檢測系統(tǒng)，設(shè)計、開發(fā)了高速灌裝生產(chǎn)線專用控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用WINCEQt4.7.3，基于山科PLC平臺開發(fā)，具有包裝外觀質(zhì)量檢測、不良產(chǎn)品剔除以及生產(chǎn)日期/條碼＆二維碼/批次編碼校驗等專用功能，實現(xiàn)了灌裝、檢測的融合。該系統(tǒng)已經(jīng)在大容量裝液體食品無菌磚型紙盒灌裝機(jī)中應(yīng)用，滿足了灌裝線的高速要求，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，提升了灌裝產(chǎn)品的質(zhì)量，為產(chǎn)品的整個追溯過程提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速灌裝線；山科PLC；專用控制系統(tǒng)；視頻檢測系統(tǒng)

“三鹿奶粉事件”發(fā)生之后，食品安全問題受到全國人民的關(guān)注［1］。食品安全除了食品本身的質(zhì)量安全之外，食品包裝物的質(zhì)量安全也不容忽視［2－3］，不合格的食品包裝不僅給消費(fèi)者造成嚴(yán)重的身心傷害，同時也會給生產(chǎn)廠家造成經(jīng)濟(jì)損失，毀壞企業(yè)的信譽(yù)。隨著我國對食品安全管理體系的大力推進(jìn)，食品包裝物的質(zhì)量安全檢驗和產(chǎn)品追溯變得日益重要。

隨著自動化程度的不斷提高，灌裝線的灌裝速度變得更快。目前，國產(chǎn)的液體食品無菌灌裝機(jī)［4］的最高灌裝速度已經(jīng)達(dá)到24000包/h，傳統(tǒng)的人工產(chǎn)品質(zhì)量檢驗方法效率低、精度差［5］，難以保證檢測質(zhì)量，已經(jīng)無法滿足高速灌裝線的檢驗要求?；跈C(jī)器視覺技術(shù)的檢驗系統(tǒng)，能夠?qū)嘌b產(chǎn)品進(jìn)行快速、實時和高精度要求檢測［6－7］。歐美等發(fā)達(dá)國家比較早地開展了自動化灌裝線上視覺檢驗系統(tǒng)的研發(fā)［8］，在自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛［9－10］。由于國內(nèi)高速灌裝生產(chǎn)線大多采用國外的通用PLC控制系統(tǒng)（西門子、三菱等），難以進(jìn)行二次開發(fā)。因此，目前國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)采用的高速灌裝線上的食品檢測設(shè)備基本依賴于進(jìn)口。由于進(jìn)口設(shè)備無法實現(xiàn)與國內(nèi)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)融合，不能滿足實際灌裝線對質(zhì)量校驗的總體需求。

本文針對高速灌裝生產(chǎn)線的灌裝、產(chǎn)品檢測的功能需求，結(jié)合已有的山科PLC（SK-PLC）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)，在液體食品無菌灌裝流程上加裝視頻檢測系統(tǒng)，研發(fā)了基于SK-PLC的專用控制系統(tǒng)。

1　視頻檢測系統(tǒng)

高速灌裝生產(chǎn)線增設(shè)的視頻檢測系統(tǒng)由傳送裝置、排序機(jī)構(gòu)、視頻檢測單元和剔除裝置組成。檢測單元的圖像特征提取和識別是基于美國Cognex公司的專業(yè)圖像識別系統(tǒng)OmniView［11］二次開發(fā)來完成的，可實現(xiàn)包裝盒表面的360°全周圖像無縫拼接。而且，包裝盒無需精確定心，為通過式檢測，無需降低生產(chǎn)線的速度。在多項目檢測模式下，該系統(tǒng)的最高檢測速度為1200件/min，完全滿足了高速灌裝生產(chǎn)線的需求。

1.1檢測流程設(shè)計

灌裝生產(chǎn)線上的包裝材料經(jīng)過預(yù)成型、后成型工序后，包裝盒進(jìn)入傳送帶，由輸送線運(yùn)輸至視頻檢測系統(tǒng)緩沖區(qū)后，排序機(jī)構(gòu)組件將緊密排列的包裝盒分開至檢測間隔，依次通過OmniView圖像識別系統(tǒng)，并觸動觸發(fā)開關(guān)，進(jìn)行拍攝檢測。如檢測合格，則進(jìn)入下一工序；如不合格則由吹氣式排廢剔除裝置吹落至廢料箱。

1.2檢測與圖像識別

本文基于OmniView圖像識別系統(tǒng)的二次開發(fā)實現(xiàn)了視頻檢測與圖像識別，如圖1所示。四個CCD同時拍攝四幅獨(dú)立圖像，創(chuàng)建包裝紙盒的3D模型；然后，由OmniView圖像識別系統(tǒng)進(jìn)行四幅圖像的360°全周圖像無縫拼接，展開成一幅完整的平面圖像，進(jìn)行紙盒外觀質(zhì)量和瓶蓋密封性等的檢測和處理。

圖1　圖像識別系統(tǒng)示意圖Fig.1　Illustration　of　image　recognition　system

2　基于SK-PLC的專用控制系統(tǒng)

本文在已有的灌裝生產(chǎn)線上增加了上述視頻檢測系統(tǒng)，并結(jié)合SK-PLC在灌裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用基礎(chǔ)，擴(kuò)展了已有控制系統(tǒng)的功能，設(shè)計了基于SK-PLC的專用控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了灌裝、檢測的融合，提高了灌裝產(chǎn)品的安全性。

2.1軟件架構(gòu)

在WINCE操作系統(tǒng)下，專用控制系統(tǒng)采用Qt4.7.3進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)。系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，主界面程序管理所有子模塊，即所有子模塊的入口（調(diào)用）、出口（終止）都必須由主界面程序控制。各模塊間參數(shù)傳遞采用“參數(shù)調(diào)用”（函數(shù)方式）、“內(nèi)存共享表”（帶讀寫操作權(quán)、鎖管理）、“文件”三種方式。系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖2。

圖2　軟件架構(gòu)Fig.2　Architecture　of　software

2.2SK-PLC選型

中醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為，肺結(jié)核是由癆蟲導(dǎo)致的脾肺氣虛，重癥肺結(jié)核脾、肺、腎三臟俱虧，治則以益氣補(bǔ)陰、清退虛熱為法［3］。炎癥反應(yīng)貫穿于肺結(jié)核疾病的始終，中西醫(yī)結(jié)合法對重癥肺結(jié)核患者的炎癥反應(yīng)程度是否具有緩解作用值得研究。本研究探討了加味定喘湯聯(lián)合抗癆治療對重癥肺結(jié)核患者的臨床效果及炎癥介質(zhì)水平的影響，現(xiàn)將結(jié)果報道如下。

山科系列PLC［12－14］是由山東省計算中心（國家超級計算濟(jì)南中心）自主研發(fā)的可編程控制器產(chǎn)品，具有高可靠性、穩(wěn)定性和靈活性等特點(diǎn)，分為SK2000、SK3000、SK4000、SK5000四個系列，已實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，在機(jī)床機(jī)械、生產(chǎn)流水線等領(lǐng)域大量配套。SK4000型是采用多總線技術(shù)的大型PLC，在大容量擴(kuò)充能力、系統(tǒng)冗余等方面具有先進(jìn)性，已成功在高速液體食品無菌紙盒灌裝機(jī)中應(yīng)用，滿足了灌裝生產(chǎn)線的控制需求。

本文選用SK4000型PLC，采用“死循環(huán)”方式的內(nèi)部進(jìn)程，通過主界面調(diào)用執(zhí)行，可以通過主界面（特殊權(quán)限）操作強(qiáng)制中斷或退出。PLC子程序只對內(nèi)存“I/O映像表”操作，“I/O映像表”通過“直接、系統(tǒng)、遠(yuǎn)程IO映射子程序”進(jìn)行實際的輸入輸出操作，見圖3。

圖3　PLC方案Fig.3　PLC　scheme

圖4　通訊方式Fig.4　Communicationmode

2.3通訊機(jī)制

山科SK4000型PLC包括智能主控制模塊、通信模塊、邏輯控制單元、過程控制單元、運(yùn)動控制單元和數(shù)控操作站，支持第三方總線互聯(lián)，支持在線編程，支持梯形圖、順序功能圖和語句表等解析語言，支持G代碼編程。其通訊模塊有CAN、RS232、RS485、網(wǎng)絡(luò)、光纜等有線通訊模塊和GPRS、無線數(shù)傳電臺、無線網(wǎng)橋等無線通訊模塊。通訊協(xié)議支持自定義協(xié)議、MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP以及DEVICENET等。

在設(shè)計的專用控制系統(tǒng)中，SK-PLC與視頻檢測單元通過RS485接口通訊，視頻檢測單元把檢測的外觀質(zhì)量是否符合、瓶蓋密封性及是否偏斜等信息上傳PLC。若不合格，PLC給剔除裝置發(fā)送執(zhí)行命令，將不合格紙盒送入廢料箱。灌裝后，若視頻檢測結(jié)果合格，PLC把“生產(chǎn)日期/條碼＆二維碼/批次編碼”通過GPRS模塊上傳至追溯系統(tǒng)，為整個食品鏈的質(zhì)量追溯和安全提供重要依據(jù)，詳見圖4。

2.4灌裝、檢測流程

在已有灌裝機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，按照檢測、追溯需求，在灌裝前增加了檢測單元來檢測包裝盒的外觀質(zhì)量，在灌裝后也增加了檢測單元，以檢測灌裝后瓶蓋的密封性、是否偏斜等，來保障灌裝物的品質(zhì)和包裝外觀。另外，將檢測合格的生產(chǎn)日期（條碼＆二維碼/批次編碼）上傳追溯系統(tǒng)。具體流程如圖5所示。

圖5　灌裝、檢測流程圖Fig.5　Flowchart　of　filling　and　detection

3　實際應(yīng)用

為了驗證視頻檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確率和專用系統(tǒng)的功能，將開發(fā)的專用控制系統(tǒng)用于大容量裝無菌灌裝機(jī)的控制。灌裝機(jī)主要參數(shù)如下：

工控程序：日本三菱可編程PLC；封合方式：高頻熱封合；標(biāo)準(zhǔn)容量：1000mL/盒；速度：2000～6000盒/h；總功率：45kW（實用約20～30kW）。

基于OmniView設(shè)計的視覺檢測系統(tǒng)可檢測圓柱體或類圓柱體產(chǎn)品，在多目標(biāo)檢測模式，最高檢測速度達(dá)到了1200件/min，完全滿足灌裝速度的要求，其包裝外觀檢測和不合格產(chǎn)品剔除效率如表1所示，基本滿足了灌裝生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量檢測要求。

表1　物品檢測情況Table　1　Filling　food　detection

專用控制系統(tǒng)的界面、灌裝功能是參照三菱PLC設(shè)計和開發(fā)的。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在1L裝液體食品無菌磚型紙盒灌裝機(jī)上配套、應(yīng)用一年多，各項功能指標(biāo)基本達(dá)到了三菱PLC的控制性能，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。另外，專用控制系統(tǒng)對“標(biāo)簽位置＆偏斜/標(biāo)簽內(nèi)容正誤/標(biāo)簽外觀識別”、“生產(chǎn)日期/條碼＆二維碼/批次編碼校驗”、“液位/瓶蓋密封性/瓶蓋位置＆偏斜/瓶蓋有無檢測”以及“包裝外觀質(zhì)量檢測”等功能開發(fā)了專用加工代碼，編程簡捷、方便，提高了控制系統(tǒng)的效率，克服了通用控制系統(tǒng)操作不方便、效率低的局限性。

4　結(jié)論

在高速灌裝生產(chǎn)線上增設(shè)視頻檢測系統(tǒng)，可以全面反映包裝質(zhì)量，保障灌裝物質(zhì)量，滿足質(zhì)量校驗的整體需求。本文設(shè)計的專用控制系統(tǒng)克服了通用控制系統(tǒng)的局限性，實際應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，操作便捷，滿足了高速灌裝和外觀質(zhì)量的檢測需求，提升了灌裝食品的質(zhì)量。目前，專用控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，下一步將進(jìn)一步優(yōu)化程序、完善功能，對程序及指令執(zhí)行效率做進(jìn)一步的研究。

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SK-PLCbasedspecialcontrolsystemforhigh-speedfillingline

WANGmao-li，HAOHui-juan*，ZHAOXue，SUNXiang

（ShandongProvincialKeyLaboratoryofComputerNetworks，ShandongComputerScienceCenter（NationalSupercomputerCenterinJinan），Jinan250014，China）

Abstract：Fortherequirementoffoodsafety，traceabilityandregulation，wedesignaspecialcontrolsystemforhigh-speedfillinglinewithaOmniViewbasedvideodetectionsystem.ItisdevelopedbasedonSK-PLCandWINCEQt4.7.3，andhassuchspecialfunctionalitiesasqualityinspectionforappearance，removingofbadproducts，checkingforproductiondate，barcode＆twodimensionalcode，andbatchcode.Wemergefillinganddetection.Ithasbeenappliedinlarge-capacityasepticcartonfillingmachine，andsatisfieshigh-speedrequirementoffillingline.Itisstableandreliable，andimprovesthequalityoffillingproducts.Itcanalsoprovideevidenceforthewholetraceableprocess.

Keywords：high-speedfillingline；SK-PLC；specialcontrolsystem；videodetectionsystem

中圖分類號：TP273＋.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-4026（2016）01-0116-05

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.020

收稿日期：2015-11-27

基金項目：山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EEM024；ZR2015FQ015）

作者簡介：王茂勵（1981－），男，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向為數(shù)控、智能控制技術(shù)。

*通訊作者，郝慧娟。Email：haohj＠sdas.org